JP3750970B2

JP3750970B2 - Fuel reformer and control method thereof

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Publication number: JP3750970B2
Application number: JP22841198A
Authority: JP
Inventors: 光岡田; 英治井関; 保紀小谷; 英明隅
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1998-08-12
Filing date: 1998-08-12
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2018-08-12
Also published as: JP2000063104A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより、水素を含む改質ガスを生成する燃料改質装置およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電解質、例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルを、セパレータによって挟持して複数積層することにより構成された燃料電池スタックが開発され、種々の用途に実用化されつつある。
【０００３】
この種の燃料電池スタックは、炭化水素、例えば、メタノール水溶液の水蒸気改質により生成された水素を含む改質ガス（燃料ガス）をアノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空気）をカソード側電極に供給することにより、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより燃料電池の外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
【０００４】
ところで、メタノール水溶液を改質して改質ガスを生成する燃料改質装置では、始動時から暖気過程で生成される改質ガス成分中に、一酸化炭素（ＣＯ）および未反応炭化水素成分が混在している。このＣＯを混在した改質ガスが燃料電池スタックに供給されると、アノード側電極において触媒のＣＯ被毒を招いてしまう。
【０００５】
そこで、上記の不具合を解消するために、例えば、特開平８−２９３３１２号公報に開示されている燃料電池システムが知られている。この従来技術では、燃料電池が始動時にある場合、温度センサおよびＣＯセンサの検出温度と検出ＣＯ濃度のいずれかがこの燃料電池が定常状態にあるときの許容温度範囲または許容ＣＯ濃度を逸脱していれば、流路切り換えバルブにより、改質装置からの水素リッチガスの供給先を該燃料電池からバーナに切り換えて高濃度のＣＯを含有する水素リッチガスを燃料電池に供給しないように構成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の従来技術では、改質装置内にメタノールと水とが供給され、このメタノールを水蒸気改質することによって水素ガスを含む改質ガスを生成している。この水蒸気改質反応は吸熱反応であり、改質装置には、メタノールの改質反応に適した温度にこの改質装置を加熱するためのバーナが備えられている。
【０００７】
しかしながら、バーナにより改質装置を所定温度（例えば、約２５０℃〜３００℃）に加熱しているため、前記改質装置を改質反応に適した温度まで加熱する暖気運転に相当に長時間を要するという問題が指摘されている。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、暖気運転時間を一挙に短縮することが可能な燃料改質装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、暖気運転を効率的かつ経済的に行うことが可能な燃料改質装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
【００１０】
さらにまた、本発明は、簡単かつ安価な構成で、改質触媒部における反応状態を確実に検出することが可能な燃料改質装置およびその制御方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料改質装置では、始動用燃焼機構が、燃焼室に加熱用燃料を供給する燃料噴射手段と、この燃焼室に供給された前記加熱用燃料を着火させる着火用プラグとを備えており、前記燃焼室内で燃焼が行われて燃料改質装置の始動時に前記燃焼室に連通する改質室に配置されている改質触媒部に加熱用燃焼ガスが直接供給される。このため、改質触媒部の温度を改質用燃料の改質反応に適した温度に短時間で確実に加熱することができ、暖気運転時間が一挙に短縮化される。
【００１２】
また、本発明に係る燃料改質装置の制御方法では、燃料改質装置の始動後に改質室に配置された改質触媒部に加熱用燃焼ガスが直接供給され、この改質触媒部が所定温度に加熱される。その際、改質触媒部で生成される改質ガスが燃焼器に供給され、この燃焼器を介して蒸発器が加熱される。
【００１３】
蒸発器が所定の温度に達した際、この蒸発器に改質用燃料および水が供給されて改質触媒部に前記改質用燃料、水蒸気および酸素を含有するガス、例えば、空気が供給され、該改質触媒部で酸化反応と改質反応とが同時に行われる。いわゆる、オートサーマル方式であり、具体的には、ＣＨ₃ＯＨ＋３／２Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ（発熱反応）と、ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋３Ｈ₂（吸熱反応）とが同時に遂行され、改質器内に複雑な伝熱構造が不要になり、装置全体の構成が簡素化されるとともに、迅速な暖気工程が遂行される。
【００１４】
次いで、改質触媒部で生成される改質ガス中の一酸化炭素濃度が検出され、この一酸化炭素濃度が所定値以下になった際、改質ガスが燃料電池に供給される。従って、各種の改質ガス分析センサ等が不要になり、一酸化炭素濃度センサのみを用いて暖気運転が完了したことを正確に推定することができ、低コスト化および信頼性の向上が容易に図られる。ここで、改質室に連通する燃焼室内で燃焼を行って加熱用燃焼ガスを改質触媒部に直接供給することにより、構成の簡素化と暖気運転時間の短縮化が可能になる。
【００１５】
さらにまた、本発明に係る燃料改質装置およびその制御方法では、始動信号に基づいて改質室に連通する燃焼室に配置された着火用プラグに通電が開始され、このプラグに付与される電圧値および／または電流値が所定値に達した際、前記燃焼室に加熱用燃料を噴射させる。このため、プラグ温度が着火用の温度に到達した時点で加熱用燃料を噴射することができ、着火の確実性を確保することが可能になる。一方、燃焼室の温度または圧力が所定値に達した際、プラグへの通電を停止させる。これにより、電力消費量を有効に削減するとともに、プラグの耐久熱を有効に向上させることができる。
【００１６】
また、プラグへの通電前後における燃焼室の温度差を検出し、この温度差が設定値に達した際、前記燃焼室に加熱用燃料を噴射させる工程、あるいは、プラグへの通電後にタイマを作動させ、このタイマが所定の時間だけ計時した際、前記燃焼室に加熱用燃料を噴射させる工程を有する。このため、着火の確実性を確保するとともに、消費電力の削減が有効に可能になる。
【００１７】
さらにまた、本発明に係る燃料改質装置およびその制御方法では、改質室に配置される改質触媒部の改質ガス出口温度と、この改質室に導入される改質用燃料の供給量とに基づいて、前記改質触媒部で生成される改質ガス中の一酸化炭素濃度または残留炭化水素濃度が推定される。これにより、ＣＯ濃度検出部やメタノール濃度検出部が不要になり、簡単かつ安価な構成で、改質触媒部での反応状態が確実に把握され、所望の改質ガスを燃料電池に供給することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料改質装置１０を組み込む燃料電池システム１２の概略構成説明図である。燃料電池システム１２は、炭化水素を含む改質用燃料を改質することにより水素ガスを生成する燃料改質装置１０と、この燃料改質装置１０から改質ガスが供給されるとともに、酸化剤ガスとしての空気が供給され、前記改質ガス中の水素ガスと前記空気中の酸素とにより発電を行う燃料電池スタック１４とを備える。炭化水素としては、メタノール、天然ガスまたはメタン等が使用可能である。
【００１９】
燃料改質装置１０は、炭化水素、例えば、メタノールを貯留するメタノールタンク１６と、燃料電池スタック１４から排出される生成水等を貯留する水タンク１８と、前記メタノールタンク１６および前記水タンク１８からそれぞれ所定量のメタノールおよび水が供給されてメタノール水溶液を混合する混合器２０と、前記混合器２０から供給されるメタノール水溶液を蒸発させるための蒸発器２２と、前記蒸発器２２に蒸発熱を供給する触媒燃焼器２４と、前記蒸発器２２から導入される水蒸気が混合されたメタノール（以下、改質用燃料ガスという）を改質して水素ガスを含む改質ガスを生成する改質器２６と、この改質器２６から導出される改質ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器２８とを備える。
【００２０】
触媒燃焼器２４とＣＯ除去器２８とには、空気供給器３０からそれぞれ空気が供給されるとともに、改質器２６と前記ＣＯ除去器２８との間には、改質ガスの温度を低下させるための熱交換器３２が配置されている。蒸発器２２と改質器２６と熱交換器３２とＣＯ除去器２８と触媒燃焼器２４とは、管体３４を介して連結され、循環流路を構成している（図２参照）。
【００２１】
図３に示すように、改質器２６は、改質室３６に配置される第１および第２改質触媒層３８、４０と、前記改質室３６に改質用燃料ガスおよび酸素含有ガス、例えば、空気を供給して前記第１および第２改質触媒層３８、４０で酸化反応と改質反応とを同時に行わせるための供給機構４２と、前記第１および第２改質触媒層３８、４０の上流側に配置され、始動時に該第１および第２改質触媒層３８、４０に加熱用燃焼ガスを直接供給するための始動用燃焼機構４４とを備える。
【００２２】
図２および図３に示すように、燃焼機構４４は、改質器２６にガス流れ方向（矢印Ａ方向）の上流側に対応しかつ第１および第２改質触媒層３８、４０と同心的に設けられており、この燃焼機構４４は燃焼室４６に燃料、例えば、メタノールを供給するためのインジェクタ（燃料噴射手段）４８と、着火用プラグ、例えば、グロープラグ４９と、前記燃焼室４６内の温度（または圧力）を検出する温度センサ（または圧力センサ）５１とを備える。このインジェクタ４８は、燃料経路５０を介してメタノールタンク１６に接続されている（図１参照）。
【００２３】
インジェクタ４８の先端側周囲には、図３に示すように、空気ノズル５２が装着され、この空気ノズル５２は、燃焼室４６に向かって開口する複数の空気導出口５４を設けている。空気導出口５４は、燃焼室４６内で渦流を発生させるようにそれぞれの噴射方向および角度が設定されている。空気ノズル５２は、第１空気経路５６を介して空気供給器５８または空気供給器３０に接続されている（図１参照）。
【００２４】
供給機構４２は、図２および図３に示すように、燃焼機構４４の下流側に配置されており、インジェクタ４８の下流でかつ第１改質触媒層３８の上流に位置して改質用燃料ガスと酸化用および希釈用空気とが混合または独立して供給される供給口６０を設けている。供給口６０は、経路３４ａを介して蒸発器２２に連結されるとともに、この経路３４ａの途上に設けられたジョイント部６２は、例えば、空気供給器３０に第２空気経路６４を介して連通している。供給口６０は、二重壁内の室６０ａを介して複数の導入口６０ｂから流路室６６に連通する。
【００２５】
改質器２６は、燃焼室４６に連通する流路室６６から第１改質触媒層３８に向かって拡径する円錐形状のガス供給流路６８を形成するディフューザ部７０を備える。ディフューザ部７０の拡径する端部には、略円筒形状のケース７２がねじ止めされており、このケース７２内に第１および第２改質触媒層３８、４０が装着される。
【００２６】
第１および第２改質触媒層３８、４０は、銅または亜鉛系触媒で構成されており、ドーナツ形状のハニカム構造に設定されている。各ハニカム触媒のそれぞれの面方向は改質室３６内のガス流れ方向（矢印Ａ方向）に直交して並列されている。第１および第２改質触媒層３８、４０のガス流れ方向の上流側に第１および第２整流板７４ａ、７４ｂが固定される。
【００２７】
第１および第２改質触媒層３８、４０の間には、改質用燃料ガスがいずれか一方のみを通過するようにガス流路形成手段７６が配置される。ガス流路形成手段７６は、例えば、ＳＵＳ製の板材で構成されており、第１改質触媒層３８の中央空洞部分３８ａに挿入される筒状部７８と、この筒状部７８の端部からガス流れ方向に沿って拡径する円錐部８０と、この円錐部８０の端部に一体的に設けられ、第２改質触媒層４０の外周を覆うリング部８２とを有する。筒状部７８の先端は、ガス流れ方向とは逆方向に向かって縮径する絞り形状部８４がねじ止め固定されている。第２改質触媒層４０の中央空洞部分４０ａには、円錐形状のカバー部材８６が装着されている。
【００２８】
図２に示すように、管体３４を構成し触媒燃焼器２４とＣＯ除去器２８とにそれぞれ接続される経路３４ｂ、３４ｃのジョイント部８８には、三方弁９０が設けられており、この三方弁９０は、前記経路３４ｂと燃料電池スタック１４とを連通する位置と、該経路３４ｂと経路３４ｃとを連通する位置とに切り換え自在である。この経路３４ｃには、燃料電池スタック１４から排出される排出成分中の未反応水素ガス等のガスを導入するための切り換え弁９２が配置されている。
【００２９】
図４に示すように、燃料電池システム１２を制御するＥＣＵ等の制御手段１００には、グロープラグ４９に付与される電圧値および／または電流値を検出する電圧／電流モニタ（検出手段）１０２が接続される。制御手段１００には、グロープラグ４９への通電をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチ１０４が接続される。
【００３０】
図５に示すように、制御手段１００には、蒸発器２２に供給されるメタノール水溶液の供給量を調整するための燃料供給弁１０６と、供給機構４２に供給される酸化用空気の供給量を調整するための第１空気供給弁１０８と、ＣＯ除去器２８に供給される空気の供給量を調整するための第２空気供給弁１１０とが接続される。
【００３１】
流路室６６に第１温度センサ１１２が配置され、改質室３６内の第１および第２改質触媒層３８、４０の上流側（ガス入口側）の端面から所定距離Ｓだけ内方に位置して触媒ピーク温度検出用の第２温度センサ１１４が設けられる。この第１および第２改質触媒層３８、４０の下流側（改質ガス出口側）の端部には、改質ガス出口温度を検出する第３温度センサ１１６が設けられる。第１乃至第３温度センサ１１２、１１４および１１６は、制御手段１００にそれぞれの検出温度を入力している。制御手段１００には、蒸発器２２の温度を検出する第４温度センサ１１８と、ＣＯ除去器２８から導出される改質ガス中のＣＯ濃度を検出するＣＯセンサ１２０とが接続されている。
【００３２】
このように構成される燃料改質装置１０の動作について、本発明の第１の実施形態に係る制御方法との関連で、図６の（ａ）〜（ｃ）に示すタイムチャートおよび図７に示すフローチャートに基づいて、以下に説明する。
【００３３】
先ず、燃料改質装置１０の始動時には、始動暖気モード（ステップＳ１）として管体３４の経路３４ｂ、３４ｃが燃料電池スタック１４と遮断状態にある。そこで、燃焼機構４４を構成する第１空気経路５６から空気ノズル５２を介して燃焼室４６に空気（１次空気）が供給され、この燃焼室４６内に渦流が形成される。この状態で、グロープラグ４９に通電され（図８中、ステップＳ１１）、電圧／電流モニタ１０２によりこのグロープラグ４９の電流値がモニタされる（ステップＳ１２）。
【００３４】
ここで、モニタされた電流値が、供給された電圧に対して最大電流値の±５％〜±１０％に達したことが制御手段１００により演算されると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、インジェクタ４８を介してメタノールタンク１６内のメタノールが燃焼室４６内に噴射される（ステップＳ１４）。メタノールは、インジェクタ４８を介して燃焼室４６内に噴霧されるとともに、このメタノールに空気による渦流が作用して、前記メタノールの微粒化および拡散化が図られる。このため、燃焼室４６内では、グロープラグ４９の加熱作用下にメタノールが燃焼し、この燃焼室４６内でのみ保炎がなされる。
【００３５】
次いで、第２空気経路６４から各導入口６０ｂを介して流路室６６に保炎用空気（２次空気）が導入される。従って、燃焼室４６で生成される高温の燃焼ガスに空気が混合され、この燃焼ガスの温度が調整された状態で、前記燃料ガスが改質室３６に配置されている第１および第２改質触媒層３８、４０に直接供給される。
【００３６】
一方、燃焼室４６の温度が温度センサ５１により検出されており、この燃焼室４６内の温度が設定値に達すると（ステップＳ１４中、ＹＥＳ）、ステップＳ１５に進んでスイッチ１０４が作動され、グロープラグ４９の通電が停止される。これにより、始動暖気ルーチンが終了する。
【００３７】
さらに、インジェクタ４８から燃焼室４６内に噴霧されるメタノールの量が増加されるとともに、前記燃焼室４６内での燃焼により発生した水とこのメタノールと第２空気経路６４から導入される空気とにより、第１および第２改質触媒層３８、４０で酸化反応と改質反応とが同時に行われる（ステップＳ２）。具体的には、ＣＨ₃ＯＨ＋３／２Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ（発熱反応）と、ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋３Ｈ₂（吸熱反応）とが同時に遂行され、水素を含む改質ガスが第１および第２改質触媒層３８、４０から生成される。
【００３８】
この改質ガスは、改質器２６からＣＯ除去器２８を通って触媒燃焼器２４に送られて燃料として利用され、蒸発器２２を加熱する（ステップＳ３）。次に、ステップＳ４に進んで、第４温度センサ１１８により蒸発器２２の温度が設定温度に達したことが検出されると、混合器２０を介してメタノールと水が所定の混合比で混合されたメタノール水溶液が蒸発器２２に供給される。
【００３９】
蒸発器２２では、触媒燃焼器２４を介してメタノール水溶液が蒸気化し、第２空気経路６４から送られる空気と混合されて供給機構４２を構成する各導入口６０ｂから改質器２６内に供給される一方、インジェクタ４８から燃焼室４６内へのメタノールの供給が停止される。ここで、第１空気経路５６から空気ノズル５２を介して燃焼室４６側に空気が継続して供給されており、インジェクタ４８自体の温度を有効に低減している。
【００４０】
蒸発器２２から経路３４ａに供給された改質用燃料ガスは、第２空気経路６４から噴射される空気と混合して改質器２６内に導入された後、ディフューザ部７０側に送られる。このディフューザ部７０では、メタノール水溶液、水蒸気および酸素を含む改質用燃料ガスがその一部をガス供給流路６８に沿って第１改質触媒層３８に送られる一方、他の部分がこの第１改質触媒層３８の中央空洞部分３８ａに嵌挿された円筒部７８の内部を通って第２改質触媒層４０に送られる（ステップＳ５）。
【００４１】
第１および第２改質触媒層３８、４０では、改質用燃料ガス中のメタノール、水蒸気および酸素によって発熱反応である酸化反応と吸熱反応である燃料改質反応とが同時に行われる。これにより、改質器２６内に複雑な伝熱構造を用いる必要がなく、この改質器２６全体の構造を一挙に簡素化することができる。しかも、改質器２６内の発熱反応によって改質反応に必要な熱が供給されるため、負荷変動に対する応答性がよく、水素ガスを含む改質ガスを効率的に生成することが可能になる。
【００４２】
第１改質触媒層３８を通って生成された改質ガスおよび第２改質触媒層４０を通って生成された改質ガスは、熱交換器３２に導入されて所定の温度に冷却される。次いで、改質ガスは、ＣＯ除去器２８に導入されてこの前記改質ガス中のＣＯが選択的に反応除去された後、ＣＯセンサ１２０を介して前記改質ガス中のＣＯ濃度が測定される。そして、測定されたＣＯ濃度が所定値以下であると判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで三方弁９０が入れ替えられて、前記改質ガスが燃料電池スタック１４に供給される。
【００４３】
この場合、第１の実施形態では、改質室３６に燃焼室４６が連通しており、この燃焼室４６に加熱用燃料としてメタノールが噴射されるとともに、グロープラグ４９に通電されて前記燃焼室４６内で前記メタノールが燃焼する。この燃焼により生成される燃焼ガスが、改質室３６内の第１および第２改質触媒層３８、４０に直接供給されるため、前記第１および第２改質触媒層３８、４０が迅速に加熱され、燃料改質装置１０の始動時における暖気運転が極めて短時間で遂行されるという効果が得られる。
【００４４】
さらに、第１の実施形態では、燃焼室４６で生成される燃焼ガスにより第１および第２改質触媒層３８、４０が所定温度に達した後、この第１および第２改質触媒層３８、４０から生成される改質ガスが触媒燃焼器２４に供給され、蒸発器２２を加熱する燃料として使用される。このため、燃料を効率的に使用するとともに、暖気運転が一層短時間で遂行されることになる。
【００４５】
また、第１および第２改質触媒層３８、４０および蒸発器２２が所定の温度に達した後、改質用燃料が供給されて改質ガスが生成される。そして、改質ガス中のＣＯ濃度が所定値以下となった際に、前記改質ガスが燃料電池スタック１４に供給される。従って、所望の改質ガスが生成されたことを、簡単な構成で確実に判断することができ、燃料改質装置１０全体の暖気運転を含む準備作業が一挙に効率的に遂行され、燃料電池スタック１４による発電作業が効率的に行われるという効果が得られる。
【００４６】
また、第１の実施形態では、始動暖気運転においてグロープラグ４９に通電された後、電圧／電流モニタ１０２を介して前記グロープラグ４９の電流値がモニタされる。そこで、グロープラグ４９が着火可能な温度に至った際、インジェクタ４８から燃焼室４６に燃料であるメタノールが噴射される。このため、燃焼室４６内における着火の確実性を確保することができるという利点がある。
【００４７】
しかも、温度センサ５１を介して燃焼室４６内の温度が自己保炎が可能な温度になったことが検出された際、グロープラグ４９の通電が停止される。これにより、着火後におけるグロープラグ４９の自己発熱を中止し、前記グロープラグ４９の耐久熱を有効に向上させて長期間にわたり使用することが可能になるという効果が得られる。
【００４８】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る制御方法を説明する始動暖気ルーチンのフローチャートである。
【００４９】
この第２の実施形態では、始動信号に基づいて温度センサ５１が燃焼室４６の温度を検出しながら（ステップＳ２１）、グロープラグ４９に通電が行われる（ステップＳ２２）。制御手段１００は、温度センサ５１による燃焼室４６内の温度をモニタし、グロープラグ４９への通電前後における前記燃焼室４６の温度差△Ｔを算出する。
【００５０】
この温度差△Ｔが所定温度以上、例えば、５０℃以上であると判断されると（ステップＳ２３中、ＹＥＳ）、ステップＳ２４に進んで、インジェクタ４８から燃焼室４６に燃料であるメタノールが噴射される。そして、燃焼室４６内の温度が設定温度に至る際（ステップＳ２５中、ＹＥＳ）、グロープラグ４９の通電が停止される（ステップＳ２６）。
【００５１】
このように、第２の実施形態では、グロープラグ４９の通電前後における燃焼室４６内の温度差△Ｔを演算し、この温度差△Ｔが設定温度以上となった際、すなわち、着火可能な温度になった際、インジェクタ４８から前記燃焼室４６にメタノールを噴射している。従って、燃焼室４６内での着火の確実性を確保することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５２】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る制御方法を実施する始動暖気ルーチンのフローチャートである。
【００５３】
この第３の実施形態では、グロープラグ４９に通電した後（ステップＳ３１）、制御手段１００のタイマの計時が開始される（ステップＳ３２）。そして、タイマが所定の時間だけ計時した後（ステップＳ３３中、ＹＥＳ）、燃焼室４６内にインジェクタ４８を介してメタノールが噴射される（ステップＳ３４）。さらに、燃焼室４６内の温度が設定温度以上となった際（ステップＳ３５中、ＹＥＳ）、ステップＳＴ３６に進んでグロープラグ４９の通電が停止される。
【００５４】
このように、第３の実施形態では、グロープラグ４９に通電された後、環境条件等に基づいて制御手段１００により演算して予め設定された時間が経過した後、燃料であるメタノールが燃焼室４６に噴射される。このため、第１および第２の実施形態と同様に、燃焼室４６内における着火の確実性が確保されるという効果が得られる。
【００５５】
次に、図５を参照して、本発明の第４の実施形態に係る制御方法について説明する。
【００５６】
この第４の実施形態では、ＣＯセンサ１２０を用いることがなく、改質器２６内の温度、特に第３温度センサ１１６により検出される触媒層の改質ガス出口温度と、この改質器２６に供給される改質用燃料ガスの供給量とから改質ガス中のＣＯ濃度または残留メタノール濃度を推定するものである。
【００５７】
ここで、制御手段１００には、予め、図１１、図１２および図１３に示す条件がマップとして記録されている。図１１では、改質用燃料ガスの供給量とメタノール反応率との関係が、改質ガス出口温度Ｔ１、Ｔ２およびＴ３（Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３）について示されている。図１２には、改質用燃料ガスの供給量とＣＯ濃度との関係が、それぞれの改質ガス出口温度Ｔ１、Ｔ２およびＴ３毎に示されている。さらに、図１３には、改質用燃料ガスの供給量と残留メタノール濃度との関係が改質ガス出口温度Ｔ１、Ｔ２およびＴ３毎に示されている。
【００５８】
そこで、第４の実施形態では、図５に示すように、制御手段１００が燃料供給弁１０６を制御して蒸発器２２に供給されるメタノール水溶液の供給量が設定されるとともに、第１空気供給弁１０８を駆動して酸化用空気の供給量が設定される。これにより、改質器２６内には、それぞれ所定量の改質用燃料ガスおよび酸化用空気が導入され、第１および第２改質触媒層３８、４０を介して改質ガスが生成される。
【００５９】
第１および第２改質触媒層３８、４０では、メタノール水溶液、水蒸気および酸素が供給されることにより、酸化反応と改質反応とが同時に行われ、いわゆる、オートサーマルによる反応が遂行される。このため、制御手段１００には、第１温度センサ１１２を介して改質用燃料ガスの温度が入力され、第２温度センサ１１４を介して触媒ピーク温度が入力され、さらに、第３温度センサ１１６を介して改質ガス出口温度が入力される。
【００６０】
制御手段１００では、予め設定された改質用燃料ガスの供給量と、第３温度センサ１１６により検出される改質ガス出口温度とに基づいて、ＣＯ濃度（または残留メタノール濃度）が推定される。そして、このＣＯ濃度に基づいて、ＣＯ除去器２８に供給する空気量が第２空気供給弁１１０により調整される。
【００６１】
このように、第４の実施形態では、ＣＯセンサ等の各種センサを用いることがなく、改質器２６に供給される改質用燃料ガスの供給量と、この改質器２６内での改質ガス出口温度とに基づいて、改質ガス中のＣＯ濃度（または残留メタノール濃度）が推定される。これにより、高価なセンサ類を不要にし、改質反応の状態を経済的かつ正確に把握することができ、所望の改質ガスを燃料電池スタック１４に確実に供給することができるという効果が得られる。
【００６２】
ところで、第１および第２改質触媒層３８、４０は、継続的に使用することにより性能劣化が惹起される場合がある。このため、制御手段１００では、触媒精度が劣化した第１および第２改質触媒層３８、４０での改質ガス出口温度を補正する処理がなされる。すなわち、図１４に示すように、触媒層の入口温度を一定にし、基本の温度分布（イ）と触媒性能が劣化した場合の温度分布（ロ）とを比較すると、触媒性能の劣化に伴って反応量が減少するため、温度分布（ロ）では、吸熱量が減少して反応ガス出口温度が高くなっている。
【００６３】
従って、改質用燃料ガスの供給量、触媒入口温度、供給空気量および改質ガス出口温度に基づいて、劣化の程度が確実に推定され、この結果に基づいて第１および第２改質触媒層３８、４０の劣化量が判断される。これにより、劣化量と温度の関係に予め相関を取ることができ、改質ガス中のＣＯ濃度（または残留メタノール濃度）を劣化の程度に応じて正確に検出することができるという利点がある。
【００６４】
【発明の効果】
本発明に係る燃料改質装置では、始動用燃焼機構が、燃焼室に加熱用燃料を供給する燃料噴射手段と、この加熱用燃料を着火させる着火用プラグとを備え、前記燃焼室内で燃焼を行って、始動時に該燃焼室に連通する改質室に配置されている改質触媒部に燃焼ガスを直接供給する。このため、改質触媒部の加熱を迅速かつ容易に行うことができ、始動時の暖気運転が一挙に短時間で遂行される。
【００６５】
また、本発明に係る燃料改質装置の制御方法では、改質触媒部に加熱媒体を供給してこの改質触媒部を昇温させるとともに、生成された改質ガスを燃焼器に供給して蒸発器を加熱し、改質用燃料、水蒸気および酸素を介して酸化反応と改質反応とを同時に行わせる。次いで、改質触媒部で生成される改質ガス中の一酸化炭素濃度を検出し、この一酸化炭素濃度を所定値以下となった際に、前記改質ガスを燃料電池に供給する。このため、所望の改質ガスを効率的かつ確実に得ることができるとともに、始動時の暖気運転時間を有効に短縮することが可能になる。
【００６６】
さらにまた、本発明に係る燃料改質装置およびその制御方法では、始動時に燃焼室に配置された着火用プラグに通電した後、この着火用プラグが最適温度に至ったことを検出した時点で、この燃焼室に加熱用燃料を噴射する一方、前記燃焼室内が所定の温度に至ったことを検出した時点で、前記着火用プラグへの通電を停止させる。従って、燃焼室内での着火の確実性を確保するとともに、着火用プラグの耐久熱を有効に向上させることができる。
【００６７】
さらに、本発明に係る燃料改質装置の制御方法では、改質室に配置される改質触媒部の改質ガス出口温度と、前記改質室に導入される改質用燃料の供給量とに基づいて、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度または残留炭化水素濃度が推定される。これにより、各種センサが不要になって、簡単かつ経済的な構成で、改質ガス中の成分を確実に推定して所望の改質ガスを得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料改質装置を組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料改質装置の斜視説明図である。
【図３】前記燃料改質装置を構成する改質器の縦断面説明図である。
【図４】前記改質器に連結される燃焼機構の説明図である。
【図５】前記改質器に組み込まれる各種センサの説明図である。
【図６】第１の実施形態に係る制御方法を説明するタイミングチャートである。
【図７】前記第１の実施形態に係る制御方法を説明するフローチャートである。
【図８】図７中、始動暖気ルーチンのフローチャートである。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る制御方法を説明する始動暖気ルーチンのフローチャートである。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る制御方法を実施する始動暖気ルーチンのフローチャートである。
【図１１】改質用燃料ガスの供給量とメタノール反応率との関係を示す図である。
【図１２】改質用燃料ガスと使用濃度との関係を示す図である。
【図１３】改質用燃料ガスと残留メタノール濃度との関係を示す図である。
【図１４】触媒性能の劣化を説明する触媒層と温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０…燃料改質装置１２…燃料電池システム
１６…メタノール１８…水タンク
２０…混合器２２…蒸発器
２４…触媒燃焼器２６…改質器
２８…ＣＯ除去器３４ｂ、３４ｃ…経路
３８、４０…改質触媒層４２…供給機構
４４…燃焼機構４６…燃焼室
４８…インジェクタ４９…グロープラグ
５１…温度センサ５２…空気ノズル
６０…供給口６６…流路室
９２…切り換え弁１００…制御手段
１０２…電圧／電流モニタ１０４…スイッチ
１０６…燃料供給弁１０８、１１０…空気供給弁
１１２、１１４、１１６…温度センサ１２０…ＣＯセンサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel reformer that generates a reformed gas containing hydrogen by reforming a reforming fuel containing a hydrocarbon, and a control method thereof.
[0002]
[Prior art]
Fuel cell stacks constructed by laminating a plurality of electrolyte cells, for example, fuel cell cells in which an anode side electrode and a cathode side electrode are opposed to each other with a solid polymer electrolyte membrane sandwiched between separators, have been developed. It is being put into practical use for
[0003]
This type of fuel cell stack supplies a reformed gas (fuel gas) containing hydrocarbons, for example, hydrogen generated by steam reforming of an aqueous methanol solution, to the anode-side electrode and oxidant gas (air) to the cathode. By supplying to the side electrode, the hydrogen gas is ionized and flows in the solid polymer electrolyte membrane, and thereby electric energy is obtained outside the fuel cell.
[0004]
By the way, in a fuel reformer that generates a reformed gas by reforming an aqueous methanol solution, carbon monoxide (CO) and unreacted hydrocarbon components are contained in the reformed gas component generated in the warm-up process from the start. It is mixed. When the reformed gas mixed with CO is supplied to the fuel cell stack, the catalyst is poisoned with CO at the anode side electrode.
[0005]
In order to solve the above problems, for example, a fuel cell system disclosed in JP-A-8-293312 is known. In this prior art, when the fuel cell is at the time of starting, either the temperature detected by the temperature sensor or the CO sensor or the detected CO concentration deviates from the allowable temperature range or the allowable CO concentration when the fuel cell is in a steady state. In this case, the flow path switching valve is configured to switch the supply destination of the hydrogen-rich gas from the reformer from the fuel cell to the burner so that the hydrogen-rich gas containing high-concentration CO is not supplied to the fuel cell.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional technology, methanol and water are supplied into the reformer, and reformed gas containing hydrogen gas is generated by steam reforming the methanol. The steam reforming reaction is an endothermic reaction, and the reformer is provided with a burner for heating the reformer to a temperature suitable for the methanol reforming reaction.
[0007]
However, since the reformer is heated to a predetermined temperature (for example, about 250 ° C. to 300 ° C.) by the burner, a considerably long time is required for the warm-up operation in which the reformer is heated to a temperature suitable for the reforming reaction. It has been pointed out that it is necessary.
[0008]
The present invention solves this type of problem, and an object of the present invention is to provide a fuel reformer and a control method thereof that can shorten the warm-up operation time at a stroke with a simple configuration.
[0009]
Another object of the present invention is to provide a fuel reformer and a control method therefor that can perform warm-up operation efficiently and economically.
[0010]
Furthermore, an object of the present invention is to provide a fuel reforming apparatus and a control method therefor that can reliably detect the reaction state in the reforming catalyst section with a simple and inexpensive configuration.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel reformer according to the present invention, the starting combustion mechanism includes fuel injection means for supplying the heating fuel to the combustion chamber, and an ignition plug for igniting the heating fuel supplied to the combustion chamber. Combustion is performed in the combustion chamber, and the combustion gas for heating is directly supplied to the reforming catalyst portion disposed in the reforming chamber communicating with the combustion chamber when the fuel reformer is started. For this reason, the temperature of the reforming catalyst section can be reliably heated to a temperature suitable for the reforming reaction of the reforming fuel in a short time, and the warm-up operation time can be shortened at once.
[0012]
In the control method for the fuel reformer according to the present invention, the combustion gas for heating is directly supplied to the reforming catalyst portion disposed in the reforming chamber after the fuel reformer is started, Heated to temperature. In that case, the reformed gas produced | generated in a reforming catalyst part is supplied to a combustor, and an evaporator is heated through this combustor.
[0013]
When the evaporator reaches a predetermined temperature, reforming fuel and water are supplied to the evaporator, and the reforming catalyst, a gas containing water vapor and oxygen, for example, air is supplied to the reforming catalyst section. In the reforming catalyst portion, the oxidation reaction and the reforming reaction are performed simultaneously. It is a so-called autothermal method, specifically, CH _Three OH + 3 / 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O (exothermic reaction) and CH _Three OH + H ₂ O → CO ₂ + 3H ₂ (Endothermic reaction) are simultaneously performed, a complicated heat transfer structure is not required in the reformer, the configuration of the entire apparatus is simplified, and a quick warming process is performed.
[0014]
Next, the carbon monoxide concentration in the reformed gas produced in the reforming catalyst unit is detected, and when the carbon monoxide concentration becomes a predetermined value or less, the reformed gas is supplied to the fuel cell. Therefore, various reformed gas analysis sensors are not required, and it is possible to accurately estimate that the warm-up operation has been completed using only the carbon monoxide concentration sensor, and it is easy to reduce costs and improve reliability. Figured. Here, combustion is performed in the combustion chamber communicating with the reforming chamber, and the combustion gas for heating is directly supplied to the reforming catalyst section, thereby simplifying the configuration and shortening the warm-up operation time.
[0015]
Furthermore, in the fuel reforming apparatus and the control method thereof according to the present invention, energization is started to the ignition plug disposed in the combustion chamber communicating with the reforming chamber based on the start signal, and the voltage applied to this plug When the value and / or current value reaches a predetermined value, heating fuel is injected into the combustion chamber. For this reason, the fuel for heating can be injected when the plug temperature reaches the temperature for ignition, and the certainty of ignition can be ensured. On the other hand, when the temperature or pressure of the combustion chamber reaches a predetermined value, the power supply to the plug is stopped. As a result, the power consumption can be effectively reduced and the durability heat of the plug can be effectively improved.
[0016]
Also, the temperature difference in the combustion chamber before and after the plug is energized is detected, and when the temperature difference reaches a set value, the heating fuel is injected into the combustion chamber, or the timer is activated after the plug is energized. And the step of injecting the heating fuel into the combustion chamber when the timer counts for a predetermined time. For this reason, while ensuring the certainty of ignition, reduction of power consumption becomes possible effectively.
[0017]
Furthermore, in the fuel reforming apparatus and the control method thereof according to the present invention, the reformed gas outlet temperature of the reforming catalyst unit disposed in the reforming chamber and the supply of the reforming fuel introduced into the reforming chamber Based on the amount, the carbon monoxide concentration or residual hydrocarbon concentration in the reformed gas produced in the reforming catalyst section is estimated. This eliminates the need for a CO concentration detection unit and a methanol concentration detection unit, ensures that the reaction state in the reforming catalyst unit can be grasped with a simple and inexpensive configuration, and supplies the desired reformed gas to the fuel cell. Can do.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram of a fuel cell system 12 incorporating a fuel reformer 10 according to the first embodiment of the present invention. The fuel cell system 12 includes a fuel reformer 10 that generates hydrogen gas by reforming a reforming fuel containing hydrocarbons, a reformed gas supplied from the fuel reformer 10, and an oxidant. A fuel cell stack 14 is provided, which is supplied with air as a gas and generates power using hydrogen gas in the reformed gas and oxygen in the air. As the hydrocarbon, methanol, natural gas, methane, or the like can be used.
[0019]
The fuel reformer 10 includes a methanol tank 16 that stores hydrocarbons, for example, methanol, a water tank 18 that stores generated water discharged from the fuel cell stack 14, and the methanol tank 16 and the water tank 18. A mixer 20 for supplying a predetermined amount of methanol and water to mix the aqueous methanol solution, an evaporator 22 for evaporating the aqueous methanol solution supplied from the mixer 20, and supplying evaporation heat to the evaporator 22 And a reformer 26 that reforms methanol (hereinafter referred to as reforming fuel gas) mixed with water vapor introduced from the evaporator 22 to generate reformed gas containing hydrogen gas. And a CO remover 28 for removing carbon monoxide in the reformed gas led out from the reformer 26.
[0020]
Air is supplied to the catalytic combustor 24 and the CO remover 28 from an air supply device 30 respectively, and the temperature of the reformed gas is lowered between the reformer 26 and the CO remover 28. A heat exchanger 32 is provided. The evaporator 22, the reformer 26, the heat exchanger 32, the CO remover 28, and the catalytic combustor 24 are connected via a pipe body 34 to constitute a circulation channel (see FIG. 2).
[0021]
As shown in FIG. 3, the reformer 26 includes first and second reforming catalyst layers 38 and 40 disposed in the reforming chamber 36, and reforming fuel gas and oxygen-containing gas in the reforming chamber 36. For example, a supply mechanism 42 for supplying air to cause the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 to simultaneously perform an oxidation reaction and a reforming reaction; and the first and second reforming catalyst layers And a starting combustion mechanism 44 for directly supplying the combustion gas for heating to the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 at the time of starting.
[0022]
As shown in FIGS. 2 and 3, the combustion mechanism 44 corresponds to the reformer 26 on the upstream side in the gas flow direction (arrow A direction) and is concentric with the first and second reforming catalyst layers 38 and 40. The combustion mechanism 44 is provided with an injector (fuel injection means) 48 for supplying fuel, for example, methanol, to the combustion chamber 46, an ignition plug, for example, a glow plug 49, and the combustion chamber 46. And a temperature sensor (or pressure sensor) 51 for detecting the temperature (or pressure) of The injector 48 is connected to the methanol tank 16 via the fuel path 50 (see FIG. 1).
[0023]
As shown in FIG. 3, an air nozzle 52 is mounted around the distal end side of the injector 48, and the air nozzle 52 is provided with a plurality of air outlet ports 54 that open toward the combustion chamber 46. Each of the air outlets 54 has an injection direction and an angle so as to generate a vortex in the combustion chamber 46. The air nozzle 52 is connected to the air supply device 58 or the air supply device 30 through the first air path 56 (see FIG. 1).
[0024]
As shown in FIGS. 2 and 3, the supply mechanism 42 is disposed on the downstream side of the combustion mechanism 44, and is located downstream of the injector 48 and upstream of the first reforming catalyst layer 38. A supply port 60 is provided through which gas and oxidizing and dilution air are mixed or independently supplied. The supply port 60 is connected to the evaporator 22 via a path 34a, and the joint portion 62 provided in the middle of the path 34a communicates with the air supply unit 30 via the second air path 64, for example. ing. The supply port 60 communicates with the flow channel chamber 66 from the plurality of introduction ports 60b through the chamber 60a in the double wall.
[0025]
The reformer 26 includes a diffuser portion 70 that forms a conical gas supply flow path 68 whose diameter increases from a flow path chamber 66 communicating with the combustion chamber 46 toward the first reforming catalyst layer 38. A substantially cylindrical case 72 is screwed to the end of the diffuser portion 70 whose diameter is increased, and the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 are mounted in the case 72.
[0026]
The first and second reforming catalyst layers 38 and 40 are made of copper or a zinc-based catalyst, and are set in a donut-shaped honeycomb structure. The respective surface directions of the honeycomb catalysts are arranged in parallel to each other perpendicular to the gas flow direction (arrow A direction) in the reforming chamber 36. First and second rectifying plates 74a and 74b are fixed upstream of the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 in the gas flow direction.
[0027]
Between the first and second reforming catalyst layers 38, 40, gas flow path forming means 76 is arranged so that the reforming fuel gas passes through only one of them. The gas flow path forming means 76 is made of, for example, a SUS plate, and includes a cylindrical portion 78 inserted into the central cavity portion 38a of the first reforming catalyst layer 38, and an end portion of the cylindrical portion 78. A conical portion 80 whose diameter expands along the gas flow direction, and a ring portion 82 that is integrally provided at the end of the conical portion 80 and covers the outer periphery of the second reforming catalyst layer 40. At the tip of the cylindrical portion 78, a throttle-shaped portion 84 whose diameter is reduced in the direction opposite to the gas flow direction is fixed with screws. A conical cover member 86 is attached to the central hollow portion 40 a of the second reforming catalyst layer 40.
[0028]
As shown in FIG. 2, a three-way valve 90 is provided in a joint portion 88 of paths 34 b and 34 c constituting the pipe body 34 and connected to the catalyst combustor 24 and the CO remover 28, respectively. The valve 90 can be switched between a position where the path 34b communicates with the fuel cell stack 14 and a position where the path 34b communicates with the path 34c. A switching valve 92 for introducing a gas such as unreacted hydrogen gas in the exhaust component discharged from the fuel cell stack 14 is disposed in the path 34c.
[0029]
As shown in FIG. 4, the control means 100 such as an ECU for controlling the fuel cell system 12 has a voltage / current monitor (detection means) 102 for detecting a voltage value and / or a current value applied to the glow plug 49. Connected. A switch 104 for turning on / off the energization of the glow plug 49 is connected to the control means 100.
[0030]
As shown in FIG. 5, the control means 100 has a fuel supply valve 106 for adjusting the supply amount of the aqueous methanol solution supplied to the evaporator 22, and the supply amount of the oxidizing air supplied to the supply mechanism 42. A first air supply valve 108 for adjusting and a second air supply valve 110 for adjusting the supply amount of air supplied to the CO remover 28 are connected.
[0031]
A first temperature sensor 112 is disposed in the flow path chamber 66, and is inward by a predetermined distance S from the upstream (gas inlet side) end surfaces of the first and second reforming catalyst layers 38, 40 in the reforming chamber 36. A second temperature sensor 114 for detecting the catalyst peak temperature is provided. A third temperature sensor 116 for detecting the reformed gas outlet temperature is provided at the downstream end (reformed gas outlet side) of the first and second reforming catalyst layers 38 and 40. The first to third temperature sensors 112, 114, and 116 input detected temperatures to the control means 100. A fourth temperature sensor 118 that detects the temperature of the evaporator 22 and a CO sensor 120 that detects the CO concentration in the reformed gas derived from the CO remover 28 are connected to the control means 100.
[0032]
Regarding the operation of the fuel reformer 10 configured as described above, in relation to the control method according to the first embodiment of the present invention, the time charts shown in FIGS. 6A to 6C and FIG. This will be described below based on the flowchart shown.
[0033]
First, when the fuel reformer 10 is started, the paths 34b and 34c of the tubular body 34 are disconnected from the fuel cell stack 14 in the start warm-up mode (step S1). Accordingly, air (primary air) is supplied from the first air path 56 constituting the combustion mechanism 44 to the combustion chamber 46 through the air nozzle 52, and a vortex is formed in the combustion chamber 46. In this state, the glow plug 49 is energized (step S11 in FIG. 8), and the current value of the glow plug 49 is monitored by the voltage / current monitor 102 (step S12).
[0034]
When the control means 100 calculates that the monitored current value has reached ± 5% to ± 10% of the maximum current value with respect to the supplied voltage (YES in step S13), the injector The methanol in the methanol tank 16 is injected into the combustion chamber 46 through 48 (step S14). Methanol is sprayed into the combustion chamber 46 via the injector 48, and a vortex flow by air acts on the methanol to atomize and diffuse the methanol. For this reason, in the combustion chamber 46, methanol burns under the heating action of the glow plug 49, and flame holding is performed only in the combustion chamber 46.
[0035]
Next, flame holding air (secondary air) is introduced from the second air path 64 into the flow path chamber 66 through the respective inlets 60b. Accordingly, air is mixed with the high-temperature combustion gas generated in the combustion chamber 46, and the fuel gas is disposed in the reforming chamber 36 in a state where the temperature of the combustion gas is adjusted. Directly supplied to the catalyst layers 38 and 40.
[0036]
On the other hand, when the temperature of the combustion chamber 46 is detected by the temperature sensor 51 and the temperature in the combustion chamber 46 reaches the set value (YES in step S14), the process proceeds to step S15, where the switch 104 is activated and the glow The energization of the plug 49 is stopped. As a result, the start warm-up routine ends.
[0037]
Further, the amount of methanol sprayed from the injector 48 into the combustion chamber 46 is increased, and the water generated by the combustion in the combustion chamber 46 and the methanol and air introduced from the second air path 64 are used. The oxidation reaction and the reforming reaction are simultaneously performed in the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 (step S2). Specifically, CH _Three OH + 3 / 2O ₂ → CO ₂ + 2H ₂ O (exothermic reaction) and CH _Three OH + H ₂ O → CO ₂ + 3H ₂ (Endothermic reaction) is performed simultaneously, and reformed gas containing hydrogen is generated from the first and second reforming catalyst layers 38 and 40.
[0038]
This reformed gas is sent from the reformer 26 through the CO remover 28 to the catalytic combustor 24 and used as fuel to heat the evaporator 22 (step S3). Next, in step S4, when the fourth temperature sensor 118 detects that the temperature of the evaporator 22 has reached the set temperature, methanol and water are mixed at a predetermined mixing ratio via the mixer 20. An aqueous methanol solution is supplied to the evaporator 22.
[0039]
In the evaporator 22, the aqueous methanol solution is vaporized via the catalytic combustor 24, mixed with the air sent from the second air path 64, and supplied into the reformer 26 from each inlet 60 b that constitutes the supply mechanism 42. On the other hand, the supply of methanol from the injector 48 into the combustion chamber 46 is stopped. Here, air is continuously supplied from the first air path 56 to the combustion chamber 46 via the air nozzle 52, and the temperature of the injector 48 itself is effectively reduced.
[0040]
The reforming fuel gas supplied from the evaporator 22 to the path 34a is mixed with the air injected from the second air path 64 and introduced into the reformer 26, and then sent to the diffuser unit 70 side. In the diffuser section 70, a part of the reforming fuel gas containing an aqueous methanol solution, water vapor and oxygen is sent to the first reforming catalyst layer 38 along the gas supply channel 68, while the other part is the first part. The first reforming catalyst layer 38 is sent to the second reforming catalyst layer 40 through the inside of the cylindrical portion 78 inserted in the central cavity portion 38a (step S5).
[0041]
In the first and second reforming catalyst layers 38 and 40, an oxidation reaction that is an exothermic reaction and a fuel reforming reaction that is an endothermic reaction are simultaneously performed by methanol, water vapor, and oxygen in the reforming fuel gas. Thereby, it is not necessary to use a complicated heat transfer structure in the reformer 26, and the entire structure of the reformer 26 can be simplified at a stroke. In addition, since the heat necessary for the reforming reaction is supplied by the exothermic reaction in the reformer 26, the responsiveness to the load fluctuation is good, and the reformed gas containing hydrogen gas can be efficiently generated. .
[0042]
The reformed gas generated through the first reforming catalyst layer 38 and the reformed gas generated through the second reforming catalyst layer 40 are introduced into the heat exchanger 32 and cooled to a predetermined temperature. . Next, the reformed gas is introduced into a CO remover 28, and CO in the reformed gas is selectively reacted and removed, and then the CO concentration in the reformed gas is measured via a CO sensor 120. The When it is determined that the measured CO concentration is equal to or lower than the predetermined value (YES in step S6), the process proceeds to step S7, the three-way valve 90 is replaced, and the reformed gas is supplied to the fuel cell stack 14. Is done.
[0043]
In this case, in the first embodiment, the combustion chamber 46 communicates with the reforming chamber 36, and methanol is injected as a heating fuel into the combustion chamber 46, and the glow plug 49 is energized to supply the combustion chamber. The methanol burns in 46. The combustion gas generated by this combustion is directly supplied to the first and second reforming catalyst layers 38, 40 in the reforming chamber 36, so that the first and second reforming catalyst layers 38, 40 are quickly formed. The warming-up operation at the start of the fuel reformer 10 is performed in an extremely short time.
[0044]
Furthermore, in the first embodiment, after the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 reach a predetermined temperature by the combustion gas generated in the combustion chamber 46, the first and second reforming catalyst layers 38 are used. , 40 is supplied to the catalytic combustor 24 and used as fuel for heating the evaporator 22. For this reason, while using fuel efficiently, warm-up operation is performed in a shorter time.
[0045]
In addition, after the first and second reforming catalyst layers 38 and 40 and the evaporator 22 reach a predetermined temperature, reforming fuel is supplied to generate reformed gas. Then, the reformed gas is supplied to the fuel cell stack 14 when the CO concentration in the reformed gas becomes a predetermined value or less. Accordingly, it is possible to reliably determine that the desired reformed gas has been generated with a simple configuration, and the preparatory work including the warm-up operation of the entire fuel reformer 10 can be efficiently performed at once. The effect that the power generation work by the stack 14 is efficiently performed is obtained.
[0046]
In the first embodiment, the current value of the glow plug 49 is monitored via the voltage / current monitor 102 after the glow plug 49 is energized in the start warm-up operation. Therefore, when the glow plug 49 reaches a temperature at which ignition is possible, methanol as fuel is injected from the injector 48 into the combustion chamber 46. For this reason, there is an advantage that the certainty of ignition in the combustion chamber 46 can be ensured.
[0047]
Moreover, when it is detected via the temperature sensor 51 that the temperature in the combustion chamber 46 has become a temperature at which self-flame holding is possible, the energization of the glow plug 49 is stopped. As a result, the self-heating of the glow plug 49 after ignition is stopped, and the durability heat of the glow plug 49 can be effectively improved to enable the use over a long period of time.
[0048]
FIG. 9 is a flowchart of a start warm-up routine for explaining a control method according to the second embodiment of the present invention.
[0049]
In the second embodiment, the glow plug 49 is energized (step S22) while the temperature sensor 51 detects the temperature of the combustion chamber 46 based on the start signal (step S21). The control means 100 monitors the temperature in the combustion chamber 46 by the temperature sensor 51 and calculates the temperature difference ΔT of the combustion chamber 46 before and after the glow plug 49 is energized.
[0050]
When it is determined that the temperature difference ΔT is equal to or higher than a predetermined temperature, for example, 50 ° C. (YES in step S23), the process proceeds to step S24, and methanol as fuel is injected from the injector 48 into the combustion chamber 46. The When the temperature in the combustion chamber 46 reaches the set temperature (YES in step S25), the energization of the glow plug 49 is stopped (step S26).
[0051]
As described above, in the second embodiment, the temperature difference ΔT in the combustion chamber 46 before and after the glow plug 49 is energized is calculated, and when this temperature difference ΔT exceeds the set temperature, that is, ignition is possible. When the temperature is reached, methanol is injected from the injector 48 into the combustion chamber 46. Therefore, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, such as ensuring the certainty of ignition in the combustion chamber 46.
[0052]
FIG. 10 is a flowchart of a startup warm-up routine for implementing the control method according to the third embodiment of the present invention.
[0053]
In the third embodiment, after the glow plug 49 is energized (step S31), the timer of the control means 100 is started (step S32). Then, after the timer counts for a predetermined time (YES in step S33), methanol is injected into the combustion chamber 46 via the injector 48 (step S34). Further, when the temperature in the combustion chamber 46 becomes equal to or higher than the set temperature (YES in step S35), the process proceeds to step ST36, and energization of the glow plug 49 is stopped.
[0054]
As described above, in the third embodiment, after the glow plug 49 is energized, after the time set in advance by calculation by the control means 100 based on the environmental conditions and the like has elapsed, methanol as fuel is burned into the combustion chamber. 46 is injected. For this reason, the effect that the certainty of the ignition in the combustion chamber 46 is ensured similarly to the 1st and 2nd embodiment is acquired.
[0055]
Next, a control method according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0056]
In the fourth embodiment, the CO sensor 120 is not used, and the temperature in the reformer 26, particularly the reformed gas outlet temperature of the catalyst layer detected by the third temperature sensor 116, and the reformer 26 The CO concentration or residual methanol concentration in the reformed gas is estimated from the supply amount of the reforming fuel gas supplied to the reactor.
[0057]
Here, the conditions shown in FIG. 11, FIG. 12, and FIG. In FIG. 11, the relationship between the supply amount of the reforming fuel gas and the methanol reaction rate is shown for the reformed gas outlet temperatures T1, T2 and T3 (T1 <T2 <T3). FIG. 12 shows the relationship between the supply amount of reforming fuel gas and the CO concentration for each reformed gas outlet temperature T1, T2, and T3. Further, FIG. 13 shows the relationship between the supply amount of the reforming fuel gas and the residual methanol concentration for each reformed gas outlet temperature T1, T2, and T3.
[0058]
Therefore, in the fourth embodiment, as shown in FIG. 5, the control unit 100 controls the fuel supply valve 106 to set the supply amount of the aqueous methanol solution supplied to the evaporator 22 and the first air supply. The valve 108 is driven to set the supply amount of the oxidizing air. As a result, predetermined amounts of reforming fuel gas and oxidizing air are introduced into the reformer 26, and reformed gas is generated via the first and second reforming catalyst layers 38 and 40. .
[0059]
In the first and second reforming catalyst layers 38 and 40, by supplying methanol aqueous solution, water vapor and oxygen, an oxidation reaction and a reforming reaction are simultaneously performed, and so-called autothermal reaction is performed. Therefore, the temperature of the reforming fuel gas is input to the control means 100 via the first temperature sensor 112, the catalyst peak temperature is input via the second temperature sensor 114, and the third temperature sensor 116 is further input. The reformed gas outlet temperature is input via.
[0060]
The control means 100 estimates the CO concentration (or residual methanol concentration) based on the preset supply amount of the reforming fuel gas and the reformed gas outlet temperature detected by the third temperature sensor 116. . Based on this CO concentration, the amount of air supplied to the CO remover 28 is adjusted by the second air supply valve 110.
[0061]
As described above, in the fourth embodiment, without using various sensors such as a CO sensor, the supply amount of the reforming fuel gas supplied to the reformer 26 and the modification in the reformer 26 are improved. Based on the gas gas outlet temperature, the CO concentration (or residual methanol concentration) in the reformed gas is estimated. This eliminates the need for expensive sensors, makes it possible to grasp the state of the reforming reaction economically and accurately, and provides an effect that the desired reformed gas can be reliably supplied to the fuel cell stack 14. It is done.
[0062]
By the way, the first and second reforming catalyst layers 38, 40 may cause performance deterioration when used continuously. For this reason, in the control means 100, the process which correct | amends the reformed gas exit temperature in the 1st and 2nd reforming catalyst layers 38 and 40 in which the catalyst precision deteriorated is made. That is, as shown in FIG. 14, when the inlet temperature of the catalyst layer is made constant and the basic temperature distribution (A) is compared with the temperature distribution (B) when the catalyst performance deteriorates, the catalyst performance deteriorates. Since the reaction amount decreases, the endothermic amount decreases and the reaction gas outlet temperature increases in the temperature distribution (b).
[0063]
Therefore, the degree of deterioration is reliably estimated based on the supply amount of the reforming fuel gas, the catalyst inlet temperature, the supply air amount, and the reformed gas outlet temperature. Based on this result, the first and second reforming catalysts are estimated. The deterioration amount of the layers 38 and 40 is determined. Accordingly, there is an advantage that the relationship between the deterioration amount and the temperature can be correlated in advance, and the CO concentration (or residual methanol concentration) in the reformed gas can be accurately detected according to the degree of deterioration.
[0064]
【The invention's effect】
In the fuel reformer according to the present invention, the starting combustion mechanism includes fuel injection means for supplying heating fuel to the combustion chamber, and an ignition plug for igniting the heating fuel, and combustion is performed in the combustion chamber. The combustion gas is directly supplied to the reforming catalyst portion disposed in the reforming chamber communicating with the combustion chamber at the start. For this reason, the reforming catalyst section can be heated quickly and easily, and the warm-up operation at the start can be performed in a short time.
[0065]
In the fuel reformer control method according to the present invention, the heating medium is supplied to the reforming catalyst unit to raise the temperature of the reforming catalyst unit, and the generated reformed gas is supplied to the combustor. The evaporator is heated, and the oxidation reaction and the reforming reaction are simultaneously performed via the reforming fuel, water vapor, and oxygen. Next, the carbon monoxide concentration in the reformed gas produced in the reforming catalyst unit is detected, and when the carbon monoxide concentration becomes a predetermined value or less, the reformed gas is supplied to the fuel cell. For this reason, desired reformed gas can be obtained efficiently and reliably, and the warm-up operation time at start-up can be effectively shortened.
[0066]
Furthermore, in the fuel reformer and the control method thereof according to the present invention, when it is detected that the ignition plug has reached the optimum temperature after energizing the ignition plug disposed in the combustion chamber at the start, While heating fuel is injected into the combustion chamber, energization of the ignition plug is stopped when it is detected that the combustion chamber has reached a predetermined temperature. Therefore, it is possible to ensure the certainty of ignition in the combustion chamber and to effectively improve the durable heat of the ignition plug.
[0067]
Further, in the control method for the fuel reformer according to the present invention, the reformed gas outlet temperature of the reforming catalyst unit disposed in the reforming chamber, the supply amount of the reforming fuel introduced into the reforming chamber, Based on this, the carbon monoxide concentration or residual hydrocarbon concentration in the reformed gas is estimated. This eliminates the need for various sensors and makes it possible to reliably estimate the components in the reformed gas and obtain the desired reformed gas with a simple and economical configuration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram of a fuel cell system incorporating a fuel reformer according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective explanatory view of the fuel reformer.
FIG. 3 is a longitudinal sectional explanatory view of a reformer constituting the fuel reformer.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a combustion mechanism connected to the reformer.
FIG. 5 is an explanatory diagram of various sensors incorporated in the reformer.
FIG. 6 is a timing chart illustrating a control method according to the first embodiment.
FIG. 7 is a flowchart illustrating a control method according to the first embodiment.
FIG. 8 is a flowchart of a startup warm-up routine in FIG.
FIG. 9 is a flowchart of a start warm-up routine for explaining a control method according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a flowchart of a start warm-up routine for executing a control method according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the supply amount of reforming fuel gas and the methanol reaction rate.
FIG. 12 is a diagram showing a relationship between reforming fuel gas and use concentration.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between reforming fuel gas and residual methanol concentration.
FIG. 14 is a diagram illustrating a relationship between a catalyst layer and temperature for explaining deterioration of catalyst performance.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel reformer 12 ... Fuel cell system
16 ... Methanol 18 ... Water tank
20 ... Mixer 22 ... Evaporator
24 ... Catalyst combustor 26 ... Reformer
28 ... CO remover 34b, 34c ... path
38, 40 ... reforming catalyst layer 42 ... supply mechanism
44 ... Combustion mechanism 46 ... Combustion chamber
48 ... Injector 49 ... Glow plug
51 ... Temperature sensor 52 ... Air nozzle
60 ... Supply port 66 ... Flow path chamber
92 ... Switching valve 100 ... Control means
102 ... Voltage / current monitor 104 ... Switch
106 ... Fuel supply valve 108, 110 ... Air supply valve
112, 114, 116 ... temperature sensor 120 ... CO sensor

Claims

A fuel reformer that generates reformed gas containing hydrogen by reforming a reforming fuel containing hydrocarbon,
A reformer provided integrally with a reforming chamber in which a reforming catalyst portion is disposed and a combustion chamber communicating with the reforming chamber ;
The reformer performs combustion in the combustion chamber is provided with a starting combustion mechanism for directly supplying heated combustion gas to the reforming catalyst section at the time of starting of the fuel reformer,
The starting combustion mechanism includes fuel injection means for supplying heating fuel to the combustion chamber;
An ignition plug for igniting the heating fuel supplied to the combustion chamber;
A fuel reformer characterized by comprising:

The fuel reformer according to claim 1, wherein the detecting means detects a voltage value and / or a current value applied to the ignition plug;
A sensor for detecting the temperature or pressure of the combustion chamber;
When the detection value by the detection means reaches a set value, the fuel injection means is driven to inject the heating fuel into the combustion chamber, and when the detection value by the sensor reaches the set value, the ignition is performed. Control means for stopping energization of the plug,
A fuel reformer characterized by comprising:

The fuel reformer according to claim 1, wherein the temperature sensor detects the temperature of the combustion chamber;
When the temperature difference of the combustion chamber before and after energization of the ignition plug reaches a set value, the fuel injection means is driven to inject the heating fuel into the combustion chamber, and the temperature detected by the temperature sensor Control means for stopping energization of the ignition plug when the value reaches a set value;
A fuel reformer characterized by comprising:

The fuel reformer according to claim 1, wherein the temperature sensor detects the temperature of the combustion chamber;
A timer is activated after the ignition plug is energized, and when the timer counts for a predetermined time, the fuel injection means is driven to inject the heating fuel into the combustion chamber, and detection by the temperature sensor Control means for stopping energization of the ignition plug when the temperature reaches a set value;
A fuel reformer characterized by comprising:

2. The fuel reforming apparatus according to claim 1, wherein the reformed gas generated in the reforming chamber is switchably provided via a valve in a supply path for supplying the reformed gas to the fuel cell. A fuel reformer comprising a bypass channel for supplying to a combustor.

A fuel reformer that generates reformed gas containing hydrogen by reforming a reforming fuel containing hydrocarbon,
Temperature detecting means for detecting the reformed gas outlet temperature of the reforming catalyst portion disposed in the reforming chamber;
Control means for estimating a carbon monoxide concentration or a residual hydrocarbon concentration in the reformed gas based on the reformed gas outlet temperature and the supply amount of the reforming fuel introduced into the reforming chamber;
A fuel reformer characterized by comprising:

A control method for a fuel reformer that generates reformed gas containing hydrogen by reforming a reforming fuel containing hydrocarbon,
A step of raising the temperature of the reforming catalyst unit by directly supplying combustion gas for heating to the reforming catalyst unit disposed in the reforming chamber when starting the fuel reformer;
Heating the reforming catalyst part to a predetermined temperature, supplying the reformed gas generated in the reforming catalyst part to a combustor, and heating the evaporator;
When the evaporator reaches a predetermined temperature, the reforming fuel and water are introduced into the evaporator, and the reforming fuel, water vapor and oxygen are supplied to the reforming catalyst unit, thereby oxidizing the reaction. And generating the reformed gas by simultaneously performing a reforming reaction;
Detecting a carbon monoxide concentration in the reformed gas generated in the reforming catalyst unit;
Supplying the reformed gas to a fuel cell when the detected carbon monoxide concentration becomes a predetermined value or less;
A control method for a fuel reformer characterized by comprising:

8. The fuel reformer according to claim 7, wherein combustion is performed in a combustion chamber communicating with the reforming chamber, and the heating combustion gas is directly supplied to the reforming catalyst unit at the time of starting. Control method.

A fuel reformer that generates a reformed gas containing hydrogen by supplying a reforming fuel containing hydrocarbons to a reforming catalyst section disposed in a reforming chamber and reforming the reformed fuel. A control method,
Energizing an ignition plug disposed in a combustion chamber in communication with the reforming chamber based on a start signal of the fuel reformer;
Detecting a voltage value and / or a current value applied to the ignition plug;
Detecting the temperature or pressure of the combustion chamber;
Injecting the heating fuel into the combustion chamber when the detected voltage value and / or current value reaches a set value;
A step of stopping energization of the ignition plug when the detected temperature or pressure reaches a set value;
A control method for a fuel reformer characterized by comprising:

A fuel reformer that generates a reformed gas containing hydrogen by supplying a reforming fuel containing hydrocarbons to a reforming catalyst section disposed in a reforming chamber and reforming the reformed fuel. A control method,
Detecting a temperature of a combustion chamber communicating with the reforming chamber based on a start signal of the fuel reformer;
Energizing an ignition plug disposed in the combustion chamber;
Detecting a temperature difference in the combustion chamber before and after energization of the ignition plug;
Injecting heating fuel into the combustion chamber when the temperature difference in the combustion chamber reaches a set value;
A step of stopping energization of the ignition plug when the temperature of the combustion chamber reaches a set value;
A control method for a fuel reformer characterized by comprising:

A fuel reformer that generates a reformed gas containing hydrogen by supplying a reforming fuel containing hydrocarbons to a reforming catalyst section disposed in a reforming chamber and reforming the reformed fuel. A control method,
Energizing an ignition plug disposed in a combustion chamber in communication with the reforming chamber based on a start signal of the fuel reformer;
Detecting the temperature of the combustion chamber;
A step of operating a timer after energizing the ignition plug;
Injecting heating fuel into the combustion chamber when the timer counts for a predetermined time; and
A step of stopping energization of the ignition plug when the temperature of the combustion chamber reaches a set value;
A control method for a fuel reformer characterized by comprising:

A control method for a fuel reformer that generates reformed gas containing hydrogen by reforming a reforming fuel containing hydrocarbon,
Detecting the reformed gas outlet temperature of the reforming catalyst unit disposed in the reforming chamber;
Estimating a carbon monoxide concentration or a residual hydrocarbon concentration in the reformed gas based on the reformed gas outlet temperature and the supply amount of the reforming fuel introduced into the reforming chamber;
A control method for a fuel reformer characterized by comprising: